Il est important de connaître la conductivité thermique du sol ainsi que l’amplitude et l’orientation de la vitesse des écoulements souterrains lors du dimensionnement d’un champ de puits géothermiques. Ce mémoire présente la méthodologie et les conclusions d’une analyse numérique d’un nouveau concept de test de réponse thermique (TRT) pour échangeurs de chaleur géothermiques verticaux. Cette configuration de TRT permet de mesurer à la fois les propriétés hydrauliques du sol et ses propriétés thermiques. Le but premier du mémoire est de vérifier la validité du concept pour ensuite développer une méthode de résolution permettant d’estimer, à partir de la réponse thermique lors du TRT, la conductivité thermique du sol ainsi que la norme et l’orientation de la vitesse des écoulements souterrains. Pour ce faire un modèle numérique de puits a été construit avec la méthode des éléments finis afin d’effectuer des simulations numériques de la réponse thermique dans diverses conditions. À partir de ces simulations, il a été possible de démontrer le potentiel du concept de TRT et d’élaborer des méthodologies pour retrouver les propriétés désirées. Une méthode de résolution graphique est d’abord présentée. Dans un second temps, le formalisme des problèmes inverses est appliqué afin d’obtenir une deuxième méthode de mesure des paramètres du sol. Les résultats montrent que le TRT proposé permet de retrouver ces paramètres dans la plupart des scénarios envisagés. / It is important to know the subsurface thermal conductivity and the groundwater flow parameters (i.e. its velocity and orientation) when sizing a geothermal borefield. This master’s thesis presents a methodology and the conclusions of a numerical analysis of a novel thermal response test (TRT) concept for vertical geothermal heat exchangers. This configuration of TRT is able to measure both the hydraulic and the thermal properties of the ground. The main objective behind this work is to validate the concept and then to develop an efficient methodology to obtain from the thermal response of the TRT an estimation of the ground thermal conductivity along with the velocity and the orientation of groundwater flows. To achieve this, a numerical model of borehole was built using the finite element method. This model was then used to simulate the thermal response for various conditions. From these simulations, it has been possible to demonstrate the potential of the concept and to elaborate methodologies to find the desired properties. A graphical method is first presented. Following that, inverse problem techniques were applied to get a second measurement methodology. Results show that the suggested TRT is able to find the parameters in most of the cases.

Afin de déterminer l'impact direct des changements climatiques sur la dynamique des coins de glace et le régime thermique du pergélisol, 16 sites d'échantillonnage dans la vallée de la rivière Narsajuaq (Nunavik, Canada) qui ont fait l'objet d'études substantielles sur les coins de glace en 1989 et 1990 ont été revisités entre 2016 et 2018. Les observations et les mesures démontrent qu'au cours des 25 dernières années, les coins de glace de la vallée de la rivière Narsajuaq ont subi une dégradation sans précédent de leurs excroissances, engendrant un approfondissement généralisé des étages principaux en raison de l'approfondissement de la couche active qui a atteint des profondeurs de 1,2 à 3,4 fois supérieures à celles de 1991. Le régime thermique des quatre principaux types de sols identifiés (organique sableux mince, organique sableux épais, organique épais et sables fluviatiles) dans la vallée a fait l'objet de simulations numériques afin de reproduire les changements de température du pergélisol depuis 1990 et de prévoir les variations de l'épaisseur de la couche active jusqu'en 2100. Au cours des dernières décennies, les coins de glace de tous les types de sol ont été actifs, se fissurant presque tous les ans, excepté en 2010, l'année la plus chaude jamais enregistrée. Pour le reste du 21ième siècle, les simulations prédisent l'arrêt complet de la fissuration du sol entre 2020 et 2095 en fonction du type de sol, des seuils de craquement et des scénarios climatiques choisis. Cependant, en prenant en compte la variabilité interannuelle du climat, il est très probable que plusieurs coins de glace cesseront de fissurer au cours des 20-30 prochaines années. La couche active a atteint une profondeur record en 2010, puis s'est amincie avec le refroidissement récent. Il est attendu qu'elle s'approfondisse suffisamment au cours des prochaines décennies pour causer une dégradation généralisée des coins de glace, ne laissant que des coins de glace fossiles en profondeurs dans le pergélisol d'ici la fin du siècle. Cette thèse propose également une nouvelle approche permettant d'améliorer les estimations des réserves de carbone dans le pergélisol arctique en se basant sur la photo-interprétation de la géologie de surface et des formes de relief ainsi que sur la reconstitution de l'histoire géologique du paysage. Une forte correspondance existe en effet, entre les formes du relief et les formations meubles d'une part et les stocks de carbone sous forme de matière organique dans les sols, d'autre part. / To determine the direct impact of climate change on ice-wedge dynamics and the permafrost thermal regime, 16 study sites in the Narsajuaq river valley (Nunavik, Canada) that were extensively studied for ice wedge between 1989 and 1991 were revisited between 2016 and 2018. Observations and measurements show that over the last 25 years, the ice wedges of the Narsajuaq river valley have experienced an unprecedented degradation of their upgrowth forms, resulting in a generalized deepening of their main stages due to the active layer reaching depths 1.2 to 3.4 times greater than in 1991. The thermal regime of the four main soil types identified (thin sandy peat, thick sandy peat, thick peat, fluvial sands) in the valley was modelled to reproduce permafrost temperature changes since 1990 and predict active layer thickness until 2100. In recent decades, ice wedges of all soil types have been active, cracking almost every year except in 2010, the warmest year on record. For the rest of the 21st century, simulations predict a complete cessation of soil cracking between 2020 and 2095 depending on the soil type, soil cracking threshold and the selected climate scenarios. However, based on the interannual variability of the climate in the region, it is very likely that ice wedges will stop cracking over the next 20-30 years. The active layer reached a record depth in 2010, then moved up with recent cooling. It is expected that the active layer will deepen sufficiently in the next few decades to cause widespread ice-wedge degradation, leaving only fossil ice-wedge roots deep in permafrost by the end of the century. This thesis also suggests a new approach to improve estimates of carbon stocks in Arctic permafrost based on image analysis of surface geology and landforms, as well as on the reconstitution of the geological history of Arctic permafrost landscapes. There is a strong connection between landscape features and surficial geology on the one hand, and carbon stocks as organic matter in soils on the other.

Dans les régions nordiques, l'accumulation préférentielle d'un couvert neigeux isolant en bordure des infrastructures de transport linéaires limite l'extraction de la chaleur en hiver. En terrain pergélisolé, cette modification de l'équilibre thermique peut être une cause importante de la dégradation du pergélisol sous-jacent affectant grandement les propriétés structurales de la chaussée. Puisque les transferts de chaleur dans le manteau neigeux sont essentiellement gouvernés par le mécanisme de conduction, son effet isolant peut être contré en diminuant l'épaisseur de neige présente sur les pentes et aux pieds du remblai. Pour ce faire, l'adoucissement de la pente des talus favorise un écoulement laminaire du vent qui souffle plus facilement la neige loin du remblai et minimise son accumulation. Les présents travaux de recherche ont pour objectif de mettre au point une méthode de conception visant la stabilisation thermique des infrastructures de transport linéaires construites sur le pergélisol en optimisant la géométrie du remblai de façon à prendre en compte l'accumulation de neige préférentielle. L'approche générale de l'étude repose sur l'utilisation d'un modèle bidimensionnel, réalisé à l'aide du logiciel de modélisation géothermique TEMP/W, qui simule l'effet du couvert neigeux sur le sol sous-jacent. L'instrumentation d'un transect de la piste d'atterrissage de Tasiujaq, au Nunavik, a permis d'y documenter le régime thermique du sol et l'évolution du couvert neigeux. À partir de ces données, le facteur n de gel a pu être exprimé en fonction de la hauteur de neige suivant une équation logarithmique. Cette relation empirique sert de condition limite à la surface du modèle géothermique. Le modèle, calibré et validé à l'aide de températures collectées au site d'essai de Tasiujaq, permet de quantifier l'impact de la géométrie du remblai sur le gradient de température dans le sol d'infrastructure. Ce dernier est calculé à partir de la température à l'interface entre le remblai et le sol et celle à la profondeur de variation d'amplitude annuelle nulle. Un gradient de température nul ou négatif est visé afin de préserver le pergélisol. Un tel régime thermique est obtenu en corrigeant la température à l'interface. Ainsi, afin d'obtenir les températures à l'interface correspondantes, des simulations numériques sont effectuées pour six pentes de talus variant de 45 à 14% (11H : 5V à 7H : 1V), et ce, pour trois hauteurs de remblai. Ultimement, ces résultats sont présentés sous la forme d'un outil de calcul de la pente requise pour assurer la stabilité thermique d'un remblai en fonction de la hauteur du remblai pour des sites où le vent et l'orientation favorise l'accumulation de neige. / In northern regions, preferential accumulation of an insulating snowpack along linear transportation infrastructures prevents the extraction of heat in winter. In permafrost terrain, this thermal equilibrium modification can be a significant cause of the underlying permafrost degradation, which affects the structural properties of the roadway. Since heat transfers through the snowpack are essentially controlled by the mechanism of conduction, its insulating effect can be counteracted by decreasing the thickness of snow on the slopes and at the toe of the embankment. To achieve this goal, the gentle slope promotes a laminar wind flow that blows snow away easily and, therefore, minimizes its accumulation. The main objective of this research project is to develop a design method aiming for thermal stabilization of linear transportation infrastructures built on permafrost by optimizing the embankment geometry to consider the preferential accumulation of snow. The general approach of the study relies on the use of a 2D model (produced with the modeling software TEMP/W) simulating the snowpack effect on the underlying ground. The monitoring of a transect at Tasiujaq airstrip, in Nunavik, documents the thermal regime in the ground and the evolution of the snowpack. Based on those data, the freezing n-factor was expressed as a function of the snow thickness following a logarithmic equation. This empirical relation is used as an upper boundary of the geothermal model. Once calibrated and validated with the data collected at theTasiujaq test site, the model allows to quantify the impact of the embankment geometry on the temperature gradient in the natural subgrade ground. This gradient is calculated from the temperature at the interface between the embankment and the ground and the temperature at the depth of zero annual amplitude. A temperature gradient of zero or less is aimed to preserve the permafrost. This ground thermal regime is obtained by correcting the temperature at the interface. Therefore, numeric simulations are run for six slopes between 45 and 14% and for three embankment thickness. Finally, these results are presented through an engineering tool calculating the slope needed to assure the thermal stability of the infrastructure depending of the embankment height.

La construction d’infrastructures en milieu nordique affecte inévitablement l’équilibre thermique du pergélisol. D’abord, la géométrie du remblai modifie le système naturel de drainage et l’étendue du couvert neigeux. Également, l’excavation ou l’ajout de matériaux fait varier les propriétés thermiques et la capacité de la surface à absorber ou à réfléchir la radiation solaire. Aussi, les impacts des changements climatiques sur les températures moyennes de l’air et sur la fréquence et l’intensité des précipitations ont des conséquences directes sur la stabilité du pergélisol, et, par conséquent, sur les capacités structurales des infrastructures. La conception de chaussées doit être adaptée dans le but de maintenir la sécurité et la fonctionnalité pour la durée de vie prévue de la route. Une solution envisagée est l’application de revêtements à albédo élevé afin de limiter la chaleur absorbée par la radiation solaire sous les remblais routiers. Des sections utilisant des surfaces à albédo élevé ont été construites et instrumentées afin d’évaluer leurs performances thermiques. L’approche développée par modélisation numérique utilisant le logiciel TEMP/W (GeoStudio) a permis d’atteindre les objectifs de recherche suivants: proposer une méthode de stabilisation thermique basée sur l’albédo de la surface et simuler l’effet de la hauteur du remblai sur le régime thermique du sol. L’analyse des résultats des simulations permet de calculer un albédo de surface recommandé pour stabiliser le pergélisol. L’approche de stabilisation se base sur un décalage thermique requis pour obtenir un gradient de température nul entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol. Un gradient de température nul ou négatif indique que l’apport de chaleur induite sous le remblai est égal ou plus faible à l’extraction de chaleur. Ainsi, la température du sol naturel reste constante ou diminue. Une validation du modèle est présentée pour le cas du site d’étude de Beaver Creek.--Résumé de l'éditeur. / The construction of transport infrastructure in northern environments inevitably affects the thermal balance of permafrost. First, the geometry of the embankment leads to changes of the drainage pattern and the snow cover extents. Furthermore, excavation or addition of materials modifies the thermal properties and the capacity of the surface to absorb or to reflect solar radiation. Also, impacts of global warming, such as rising average air temperatures and changes in the frequency and intensity of precipitation, have a direct impact on the stability of permafrost and, thus, on the structural capacities of infrastructure. The design of pavement built on permafrost must be adapted to maintain safety and functionality for the expected lifetime of the road. One of the proposed solutions is the application of high albedo coatings to limit heat absorbed by solar radiation underneath the embankment. As part of the project, road sections were constructed using high albedo surfaces and instrumented to evaluate the thermal performance. Numerical modelling using GeoStudio’s TEMP/W software was developed to accomplish the twofold research objectives: to propose a thermal stabilization method based on the albedo of the surface, and to simulate the effect of embankment height on the thermal regime of the soil. Simulations allow the modelling of heat exchange in a soil column, and, through analyzing the results, an equivalent surface albedo that can stabilize the natural soil can be calculated. The stabilization approach is based on a required temperature gradient, which is the difference between the interface temperature and the permafrost temperature. A zero or negative temperature gradient indicates that heat induced underneath the embankment is equal to or lower than heat extracted. Therefore, temperature of the natural soil remains constant or decreases. A validation of the model is presented for the Beaver Creek study site.--Résumé de l'éditeur.

L'expérience réalisée de l'hiver 2003-2004 à l'été 2005 sur l'utilisation de mousse liquide comme matériau de couverture de serre a permis de démontrer l'efficacité de la technologie comme isolation thermique en hiver et comme écran solaire en période estivale. Deux expériences comparatives sur une période de deux ans ont été effectuées dans des serres de recherche. Une serre expérimentale (S.Exp.) équipée d'un système d'injection de mousse et une serre référence (S.Réf.), sur le campus de l'Université Laval à Québec ont servi aux expérimentations. Les résultats de cette étude démontrent qu'il est possible de réduire la consommation d'énergie de l'ordre de 40 % à 60 % en période hivernale et qu'il est possible de diminuer la pénétration d'énergie solaire de l'ordre de 10 % à 30 % en période estivale en plus de réduire la température de l'air de l'ordre de 4,0 °C. De plus, la mousse liquide réfléchissait une partie de l'éclairage artificiel et augmentait la lumière totale utile pour la croissance des plants de tomates.

Résumé La stratification à chaud des panneaux de fibres de bois à haute densité (HDF) fait parti intégrante du procédé de fabrication du plancher flottant. Cette opération n’est pas sans comporter des défis techniques pour lesquels une compréhension du phénomène de gauchissement des panneaux HDF, induit lors de la stratification, est essentielle. À cet égard, la caractérisation physico-mécanique des papiers de finition et des panneaux HDF utilisés dans la production de plancher flottant est appropriée. Les objectifs spécifiques de ce projet étaient l’évaluation du coefficient de contraction et du module d’élasticité en traction des papiers de finition, en plus de l’évaluation du coefficient de conductivité thermique des panneaux HDF. L’étude du comportement des papiers de finition a été réalisée sur trois types de papiers (feuille d’usure, papier décor et feuille de contre-balancement) dans les deux directions principales (sens machine et sens travers), et ce à trois temps de pressage (0, 10 et 20 secondes). Dix répétitions furent réalisées pour chacune des conditions expérimentales. La détermination du coefficient de conductivité thermique a été réalisée sur des panneaux HDF d’une épaisseur de 7 et 8 mm. Trois températures ont été étudiées (100, 150 et 200°C) en appliquant un différentiel de température de 25°C. Chacun des trois échantillons analysés par condition expérimentale ont été soumis à trois cycles d’essais. Le type de papier a un effet hautement significatif sur le coefficient de contraction et ce dernier augmente avec le temps de pressage et est inférieur dans le sens machine. Ces travaux ont également permis de démontrer que pour un même type de papier, le module d’élasticité est supérieur dans le sens machine et augmente avec le temps de pressage. De plus, nous avons établi que le module d’élasticité augmente linéairement avec le grammage des papiers avant imprégnation et diminue avec le contenu en résine. Dans l’étendu des masses volumiques étudiées, la variation de l’épaisseur des panneaux HDF de 7 à 8 mm n’a pas eu d’effet significatif sur la conductivité thermique. / Abstract The lamination of HDF panels is an important step in laminate flooring production. This operation involves technical challenges which require knowledge regarding HDF panel warping occurring during lamination. In this regard, the determination of the physical and mechanical properties of saturated lamination papers and HDF panels used in the production of laminate flooring is strategic. The specific objectives of this study were the determination of the contraction coefficient and modulus of elasticity in traction of saturated papers, in addition to the evaluation of HDF thermal conductivity. Three types of papers were studied (overlay, decorative paper, backer) in two directions (machine direction and cross direction) and at three pressing times (0, 10 and 20 seconds). For each combination, ten repetitions were made. The determination of thermal conductivity was established on 7 and 8 mm boards, which had a density of 871 and 918 kg/m3 respectively. Three temperatures were studied (100, 150 and 200°C) for the same temperature difference of 25°C. Three samples were analysed three times for each experimental condition. The type of paper had a highly significant impact on the contraction coefficient, which is higher in cross direction and increases with pressing time. This study has also shown that for a given paper, the modulus of elasticity in traction is higher in the machine direction and increases with pressing time. We have also established that the modulus of elasticity increases linearly with paper basic weight before impregnation and decreases linearly with resin content. Temperature had a significant impact on the thermal conductivity of HDF panels most likely due to panel moisture content variation during testing. Thickness and density of HDF panels did not have a significant effect on thermal conductivity.

Ce mémoire de thèse porte sur la caractérisation de l'effet électrocalorique des matériaux ferroélectriques solides et cristaux liquides. La découverte récente d'un effet électrocalorique qualifié de "géant" a relancé l'intérêt pour l'étude et la caractérisation des propriétés électrocaloriques des matériaux. Au-delà de la recherche des matériaux performants, ce domaine de recherche concerne également le développement des techniques de caractérisations appropriées et la réalisation des prototypes de réfrigération électrocalorique. Dans ce contexte, notre étude se focalise sur le développement de nouvelles techniques de caractérisation, la méthode photopyroélectrique (indirecte) et la calorimétrie (directe). La technique photopyroélectrique, développée au sein du laboratoire a été utilisée pour la détermination des propriétés thermiques du matériau pyroélectrique lui-même. L'exploitation de cette technique nous a permis également de déterminer les propriétés pyroélectriques du matériau, en particulier le rapport entre le coefficient pyroélectrique et la capacité calorifique, en fonction de la température et du champ électrique appliqué, nécessaire pour une évaluation indirecte de l'effet électrocalorique. Plusieurs matériaux ferroélectriques solides et liquides ont été étudiés à l'aide de cette méthode, en particulier, un monocristal de TriGlycine Sulfate et deux cristaux liquides. L'effet électrocalorique a été évalué autour de la température de transition de phase que présentent chacun de ces matériaux. Pour valider les résultats obtenus, nous avons procédé à des mesures indirectes de la polarisation par la méthode usuelle du courant de dépolarisation. Dans ce travail, nous avons également développé une technique de mesure indirecte de l'effet électrocalorique, par mesure calorimétrique, à l'aide d'un nouveau dispositif. Outre l'étude des transitions de phase et de la capacité calorifique, cet instrument permet une mesure directe de la température et de la quantité de chaleur absorbée ou cédée avec le milieu environnant. Une première étude de l'effet électrocalorique a été réalisée sur un matériau multicouche à base de titanate de baryum. Les résultats obtenus par cette approche ont été ensuite comparés à d'autres techniques directes et indirectes existantes dans la littérature. Ces deux nouvelles approches permettent d'élargir les possibilités d'étude de futurs matériaux électrocaloriques et de mesurer à la fois les propriétés thermiques et pyroélectriques nécessaires pour l'étude de l'effet électrocalorique. / This thesis work deals with the characterization of the electrocaloric effect in solid and liquid crystal ferroelectric materials. Following the 2006 discovery of Mischenko and al., the characterization techniques of the electrocaloric effect and the exploration of new caloric materials have attracted much attention. This discovery showed also that electrocaloric materials can be used for efficient innovative solution for refrigeration devices. This PhD dissertation focuses on the development of new techniques used to evaluate the electrocaloric effect by the photopyroelectric technique and by calorimetry. Few years ago, a new particular configuration based on the photopyroelectric technique, developed in our laboratory, was described for measuring thermal parameters of pyroelectric materials themselves. By means of this technique, we indirectly investigate the electrocaloric effect in ferroelectric materials by measuring the ratio of the pyroelectric coefficient to the volumetric heat capacity, as function of temperature and applied field, using Maxwell's relation. Measurements were carried out on ferroelectric solid materials (TriGlycine Sulfate) and liquid crystals. Electrocaloric effect has been evaluated around the phase transition temperature of each sample. To further validate the accuracy to the evaluated adiabatic temperature changes, we proceeded to indirect measurements by using the polarization reversal current technique. In the present work, we also developed a calorimeter in order to directly evaluate the electrocaloric effect. This technique is mainly used to measure with high resolution the heat capacity and enthalpy near phase transition temperature. In addition, this technique allows us to directly measure the temperature and the amount of heat absorbed or transferred from the material to the surrounding environment. A primary study of the electrocaloric effect was carried out on a multilayer material based on barium titanate. The results obtained by this approach have been then compared to conventional direct and indirect measurements. Those two new approaches give access to the measurement of both thermal and pyroelectric properties allowing the evaluation of the electrocaloric effect.

Dans un bâtiment, les déperditions thermiques proviennent de diverses parties opaques (mur, toit et plancher) qui peuvent contenir du béton. Il est donc intéressant d'envisager des formulations de béton de structure avec des propriétés d'isolation thermique améliorées. L'utilisation de granulats légers, qui possèdent de bonnes propriétés thermiques grâce à leur structure poreuse, peut être une solution pour améliorer la capacité d'isolation des éléments en béton. Cette technique d'isolation répartie peut permettre d'éviter des dispositifs constructifs lourds tout en répondant aux exigences de la RT 2012. La présente étude a pour objectif d'optimiser le couple performance mécanique - capacité isolante des bétons de granulats légers. Elle repose sur une double approche expérimentale et numérique.Les bétons de granulats légers ciblés ont une masse volumique inférieure à 1500 kg/m3 et une résistance en compression supérieure à 25 MPa. L'influence de la nature des granulats légers, du taux de substitution du sable alluvionnaire par du sable léger, du rapport E/C et de l'ajout de fumée de silice sur les performances mécaniques et thermiques des bétons est étudiée afin de proposer des formulations adéquates pour une large gamme d'usage structurel. Le module d'Young, la résistance en compression, la conductivité thermique et la diffusivité sont mesurées sur 25 formulations de bétons de granulats légers. Le comportement thermique de ces différents bétons en fonction de facteurs climatiques, comme la température et le degré d'humidité est aussi examiné afin d'optimiser leurs propriétés d'isolation thermique. L'ensemble des résultats expérimentaux permet une meilleure compréhension de la relation entre la formulation des bétons de granulats légers et leur rapport performance mécanique / pouvoir isolant. En s'appuyant sur certaines mesures expérimentales, des modélisations numériques reposant sur des techniques d'homogénéisation permettent d'identifier des propriétés thermiques (conductivité thermique, chaleur spécifique) et mécaniques (module d'Young, résistance à la rupture) des granulats légers (gravillons et sables) difficilement mesurables expérimentalement. Connaissant les propriétés thermiques et mécaniques des différents constituants, des modélisations prédictives des comportements macroscopiques des bétons légers sont développées à partir de schémas d'homogénéisation pour des matériaux multi-phases polydisperses. Les outils développés sont comparés et validés par confrontation aux mesures expérimentales pour les différentes familles de bétons de granulats légers étudiés. Ils permettront par la suite d'alléger les coûts et délais des campagnes expérimentales de mise au point des formulations. La modélisation, sur une année, des transferts thermiques à travers une enveloppe de bâtiment en béton de granulats légers permet de quantifier l'amélioration des performances thermiques des bétons de granulats légers par rapport à un béton classique. / In a building, heat is lost through a variety of surfaces (wall, roof and floor) that may contain concrete. It is therefore useful to consider alternative concrete structures with improved thermal insulation properties. The use of lightweight aggregates, which have good thermal properties due to their porous structure, can present a solution for improving the insulation capacity of the concrete elements. This embedded insulation technique allows lighter construction systems while satisfying the requirements of the RT 2012. This study aims to optimize the mechanical performance/insulating capacity coupling of lightweight aggregate concrete. It is based on a double approach of experimental and numerical analysis.The targeted lightweight aggregate concretes have a density lower than 1500 kg/m3 and a compressive strength higher than 25 MPa. The influence of the lightweight aggregate nature, the rate of substitution of alluvial sand by lightweight sand, W/C ratio and the addition of silica fume on the mechanical and thermal performances of concrete is studied. This allows to identify formulations suitable for a wide range of structural applications. Young's modulus, compressive strength, thermal conductivity and diffusivity are measured on 25 formulations of lightweight aggregate concrete. The thermal behavior of these concretes, including sensible and latent heat transfer, is also examined in order to optimize their thermal insulation properties. The experimental results provide a better understanding of the relationship between the formulation of lightweight aggregate concrete and the mechanical performance to insulating capacity ratio. Based on some experimental measurements, numerical modeling is carried out in order to identify the thermal properties (thermal conductivity, specific heat) and mechanical properties (Young's modulus, fracture strength) of lightweight aggregates (gravel and sand) which are difficult to measure experimentally. Homogenization methods for two phase materials are used for this purpose. By knowing the thermal and mechanical properties of different components, the predictive modeling of the macroscopic behavior of lightweight concrete can be developed from homogenization schemes for multi-phase polydisperse materials. The analytical methods developed are validated by comparison with experimental measurements for the different families of lightweight aggregate concrete studied. They will eventually alleviate the costs and delays of the experimental analysis. The heat transfer over a year through the building envelope made of lightweight concrete is modeled in order to quantify the improvement in thermal performance of lightweight aggregate concrete compared to normal concrete.

Les alliages de tellurure de plomb (PbTe) sont reconnus depuis longtemps comme d’excellents matériaux thermoélectriques avec un ZT de l’ordre de 1,0 pour des applications en génération d’électricité à hautes températures où le tellurure de bismuth (Bi2Te3) ne peut plus être utilisé. Cependant, la présence de plomb rend problématique une commercialisation à grande échelle de dispositifs thermoélectriques contenant ce composé. Le tellurure d’étain (SnTe), étudié il y a plus de 40 ans comme un analogue à PbTe, présente des performances thermoélectriques médiocres du fait de la présence d’une concentration élevée en lacunes de Sn. Toutefois, la dernière décennie a vu une recrudescence importante des recherches sur ce composé visant à améliorer ses performances thermoélectriques à hautes températures. Le composé SnTe présente des déviations par rapport à la stœchiométrie idéale (lacunes d’étain) quelles que soient la méthode de synthèse utilisée. Dans ce travail, nous dévoilons l’influence de la déviation par rapport à la stœchiométrie idéale (composition chimique) et des conditions de synthèse (avec trempe, sans trempe, recuit de saturation et melt-spinning) sur les propriétés de transport électrique et thermique de ces matériaux. Pour ce faire, des techniques de synthèse par métallurgie de poudres ont été mises en œuvre. Les matériaux résultants ont été ensuite caractérisés finement aussi bien d’un point de vue structural que physico-chimique. Ainsi, une étude détaillée de leur structure cristalline a été menée en combinant des mesures de diffraction des rayons X sur poudre et des analyses de microscopie électronique à balayage et à transmission à haute résolution. Des mesures de propriétés électriques et thermiques ont été menés à basses températures (5 – 300 K) pour identifier les mécanismes microscopiques qui gouvernent le transport et à hautes températures (300 – 800 K) afin de déterminer le domaine d’application optimal. Ces mesures ont confirmé le potentiel de ces composés pour des applications en génération d’électricité à températures moyennes. De nombreuses possibilités de substitutions sur le site de l’étain ou/et du tellure ont été entreprises afin de tenter d’optimiser davantage les performances thermoélectriques de ces composés. Des éléments en substitution ont été choisi pour augmenter le pouvoir thermoélectrique à travers la diminution de la concentration en trous ou par ingénierie de la structure de bande et/ou diminuer la conductivité thermique de réseau via la formation de solutions solides ou de précipités dans la matrice. Le choix de ces éléments a notamment été guidé par des calculs de structure de bande électronique. Les résultats expérimentaux ont été modélisé par un modèle à deux bandes non dégénérées afin de dévoiler les principaux facteurs qui gouvernent le transport. La conductivité thermique de réseau a été analysée en utilisant le modèle de Callaway afin d’étudier les mécanismes de diffusion des phonons à basses températures et de mieux appréhender l’influence des lacunes sur le transport thermique / Lead telluride (PbTe) alloys are among the most efficient thermoelectric materials with a ZT of 1.0 for electricity generation applications in the mid to high temperature region where bismuth telluride (Bi2Te3) can no longer be used. Despite their excellent environmental stability, the perceived toxicity of lead chalcogenides can frustrate its development and large-scale application. Tin telluride (SnTe), studied more than 40 years ago as a analogue of PbTe shows poor thermoelectric performances because of its lower Seebeck coefficient. The latter is due to heavy intrinsic doping arising from spontaneous Sn vacancies. However, recent studies unambiguously show that SnTe has a strong potential of being a promising thermoelectric at high temperatures. In fact, regardless of the synthesis method used, SnTe compound is in deviation from the ideal stoichiometry (Sn vacancies). In this work, we unveil the influence of this deviation (chemical composition) and of the synthesis conditions (with quenching, without quenching, annealing and melt-spinning) on the electrical and thermal transport properties of these materials. Hence, for the synthesis of these materials different powder metallurgy techniques were implemented. The resulting materials were then finely characterized by structural and physico-chemical point of view. Thus, a detailed study of their crystalline structure was carried on by combining X-ray powder diffraction, scanning and transmission electron microscopy analyzes. The electrical and thermal properties measurements were effectuated at low temperatures (5 - 300 K) to identify the microscopic mechanisms that govern transport and at high temperatures (300 - 800 K) to determine the optimal domain of application. These measurements have confirmed the strong potential of these compounds for electricity generation applications at high temperatures. Numerous substitution possibilities at the tin and / or tellurium site have been undertaken in an attempt to further optimize the thermoelectric performance of these compounds. Substitute elements were chosen to increase the thermoelectric power through the decrease in the hole concentration or by engineering the band structure and / or decrease the lattice thermal conductivity via the formation of solid solutions or precipitates in the matrix. The choice of these elements was guided by electronic band structure calculations (DOS). The experimental results were modeled by a non-degenerate two-band model to reveal the main factors that govern the electronic transport. The lattice thermal conductivity was analyzed using the Callaway model to study the phonon scattering mechanisms at low temperatures and to better understand the influence of Sn vacancies on the thermal transport

L'instabilité thermique des bétons est un phénomène particulier pouvant être préjudiciable pour la stabilité d'une structure pendant et après un incendie. Les frais d'immobilisation et de réparation des structures endommagées par instabilité thermique du béton sont généralement très élevés.<br />Ces dernières années, des études majoritairement théoriques ont tenté d'examiner les causes possibles à l'instabilité thermique des bétons. En particulier, de nombreuses discussions autour de l'importance relative des mécanismes thermomécaniques et thermo-hydriques ont été menées. Cependant, nous ne connaissons toujours pas aujourd'hui les conditions exactes d'apparition de l'instabilité thermique et les solutions technologiques qui existent (fibres de polypropylène, protection thermique rapportée) ne sont pas bien maîtrisées.<br />Les résultats que nous présentons s'inscrivent dans une étude globale des risques d'instabilité thermique des bétons. Plusieurs échelles d'observation du comportement à haute température d'un béton ordinaire (résistance à la compression de 40 MPa) et d'un béton à hautes performances (résistance à la compression de 60 MPa) ont été adoptées. A l'échelle du matériau, la détermination de l'évolution avec la température de données telles que la perméabilité, la porosité, les propriétés thermiques et les propriétés mécaniques nous permettent de mieux comprendre le comportement du béton à haute température. Ces essais sont complétés par des mesures de pression et de température sur des éprouvettes à taille réduite. Enfin, des essais au feu sur dallettes (feu ISO et feu HCM) ont été réalisés afin de caractériser l'instabilité thermique des bétons.<br />La confrontation des résultats des essais à différentes échelles nous permet de discuter des paramètres qui semblent être les plus propices à l'instabilité thermique et proposons de nouvelles pistes d'investigation.